医药辐射成像

1、章节内容15.1 引言15.2 放射成像系统基础概念基本例子原子结构与放射放射性衰变15.3 仪器与成像装置15.4 X线成像系统基础概念 CT技术习题推荐阅读在结束这一章后，学生应该能够：了解放射现象的基本原理了解一般用于医学成像的电离辐射，或是在体外引发并在穿透病人后探测的，或是引入人体后使得病人成为放射源。引言长久以来，医学上一个持久的目标是判定病理原因过程取得不断的进展，因此，寻找一种能够观察人体器官的微创工具是非常重要的。然而，直到20世纪下半叶，才有可以用来提供体内的正常和患病组织图像的仪器。今天，基于物理科学（如X光、核物理、光学、声学）并结合计算机技术和数据处理技术创新研发出来

2、的现代成像仪器，不仅被证明在病人护理中非常有用，它们的出现还使健康护理理念出现革命性的转变。一个多世纪以前（1895年），第一个诺贝尔奖获得者，物理学家威廉康纳德伦琴，描述了一种新的放射线X光。最终，放射医学这种新的医学专业和影像产业得以产生。最开始，X光成像系统主要用来获取损伤骨和增强结构如泌尿与肠胃系统的图像，但它们并不成熟。但自20世纪70年代以来，成像技术的改进，以及电子计算机的应用使得用于医学诊断的X光成像技术发生了革命性的转变。令人兴奋的还有伦琴的后继者艾伦马克利奥德柯麦科和戈弗雷·纽博尔德豪恩斯弗尔德。TUFT大学物理系的柯麦科和英国EMI有限公司研究所的豪恩斯弗尔德，

3、相互独立却又显而易见的怀着相同的梦想工作，他们完成了不同的东西。柯麦科在一篇论文中完美地演示了影像重建的数学模型，这篇出色的论文发表于1963年。不到十年，豪恩斯弗尔德公布了一个难以置信的工程成就：第一部用于医学，有着高对比度分辨力，获取轴位数字图像的商业仪器。为了奖励他们在X线断层摄影术计算机化发展中取得的重大成就，柯麦科和豪恩斯弗尔德分享了1979年的诺贝尔生理学和医学奖。他们的令人兴奋的发现至今仍未被冷落。一般用于医学成像的电离辐射（有两种情况：一是射线被引入人体，使得病人成为放射源；二是在外部产生辐射，穿透病人后被灵敏装置探测到。在细胞或器官系统功能研究中，伽马射线或X光是在病人体外放

4、射和探测的，它们可以提供生理学（衰变率或“洗出”）和解剖学（影像）信息。在核医学中超过90%的诊断步骤中都要使用到放射影像技术。另一方面，穿透病人的体外制造的射线，是X光机器和计算机化X线断层摄影术的实现基础。这些设备和程序，被置于放射部门中。本章的目的是介绍每一种放射成像方式的基本原理。核医学是医学的分支，它运用放射扫描来帮助医师正确诊断。第二次世界大战期间，迎来了原子时代，核物理和技术方面取得了巨大进展，核医学成为一个强大有效的方法，用来检测和治疗的具体生理异常。核医学是医学学科中，利用物理科学概念发展而来的一个典型例子。作为医生和物理学家之间的“合资企业”，它已发展成为一个跨学科领域的学

5、科，拥有自身的学术和技术结构。在这个过程中，核医学领域已发展到包括以下研究：创造和合理利用可以安全导入人体的放射性示踪剂用来检测和演示放射性元素活动的核仪器装置和系统的设计与应用放射性示踪剂活动和具体生理过程之间的关系的测定基础概念1895年，当伦琴宣布发现了一种新的具有穿透能力的射线（这种射线被他称为X线）时，他开辟了一片新的科学研究领域。X线是一种电磁能量形式，就像无线电波和光波。它们之间的主要区别在于频率和波长不同。表15.1显示了电磁波的发射频谱。值得注意的是X线的波长主要在100纳米和0.01纳米之间，比无线电和光波要短一些。受伦琴的发现的刺激，法国物理学家亨利贝克勒尔研究了已知荧光

6、或磷光物质产生一种类似X线的可能性。1896年，贝克勒尔宣布，某种铀盐无论是否处于发光状态，都可以发射出穿透射线。这个结果令人惊讶，但却给这个世界呈上一种从未料想到的新的未知性质的物质。在科学求知欲的驱动下，贝克勒尔说服了玛丽居里巴黎综合工科学校最有前途的年轻科学家之一，她深入研究到底是铀中的什么物质导致了他观测到的放射现象。后来使用放射能来描述放射物质的放射性能玛丽居里，和她那凭借压电效应研究而成为常设物理学家的丈夫皮埃尔，全身心的投入与神秘物质的寻找中。在研究过程中，居里夫妇发现了一种比铀更具有放射能力的物质，他们称之为镭并在1898年宣布了它的发现。当居里夫妇在研究放射物质时，英国科学家

7、有着极大的积极性开始准备找出原子组成成分。自19世纪初以来，道尔顿原子的化学理论在对物质内部组成的看法中居于统治地位，在他的理论中，所有的物质都是由不可分割的原子组成的。然而，在1897年，当汤普森确定电子作为一种带负电荷的粒子比最轻的原子具有小得多的质量。一个新的物质基本组成的概念必须制定。我们现在的原子云图是1911年由欧内斯特卢瑟福发展出来的，他证实了原子的主要质量集中在高密度区域，带正电的核被带负电荷的电子云围绕。这种想法将行星系统的概念纳入了进来，一个核子被非常轻的具有轨道的电子环绕，这个想法由尼尔斯·波尔在1913年提出。带着这种原子基本结构的想法，卢瑟福是第一个认识到放

8、射现象跟原子的自发性分解有关。这种观点被大家接受以后，卢瑟福在1908年获得了诺贝尔化学奖，放射物质的神秘性得以揭示。通过对在磁场中的放射现象的观测，居里夫妇发现有三种来自放射物质的不同种类的活性辐射。这三种物质被卢瑟福随意地称为，和粒子，我们知道的是（1）粒子，带正电，实质上跟氢核相同；（2） 粒子，带负电的电子；（3）粒子，没有质量和不带电的纯电磁辐射。基本例子到30年代，这个领域的研究确立了三种基本粒子：电子，质子和中子，三者组成原子。粒子的排列显示在图15.1，原子通常的结构图中。这个原子包含了许多粒子：（1） 一个以上的电子，每个的质量大约是，带有大约库伦的负电荷；（2）至少一个质子

9、，质子的质量为，大约是电子的1800倍；（3）可能存在的中子，具有跟质子相同的质量但是不带电。由于单个的原子核粒子非常小，当用克来表示时，需要用到难处理的负数次幂。原子系统质量单位发展起来，使用作为参考原子。用12个质量单位给赋值。其他原子的质量基于这种单个单位，一个单位质量就是的1/12质量。氢的最轻同位素质量就大约是一个这种单位。一个数值上等于它的原子质量的同位素，并以克为单位的质量被称为克原子质量。物体的克原子质量也被称为摩尔质量或者物体等价质量。既然克原子质量与单个原子的实际质量成正比，一摩尔任何物质都含有相同数量的原子。一单位克原子质量中原子的数量等于阿伏加德罗常数（），数值为 。这

10、样以来，通过用阿伏加德罗常数除同位素的克原子质量，可以得到任何以克为单位的原子质量。例如，一个原子的质量是它的克原子质量，用阿伏加德罗常数（）去除：既然等于12个原子质量单位（），那么1的质量应该是原子质量的1/12。跟粒子的质量一样，电子带有电荷也是物质的物质的基本性质。由于一个电子所带电荷是能够存在的最小量的电荷，通常一个电子电荷被表示成为一个负单位（-1）。当在公制单位（米，千克，秒）中表示一个单位电荷时，一个电荷电量为库伦。因此其他原子的粒子带有的电荷就是这个值的整数倍。不可能出现一个粒子带有2.5倍电子电量的情况。中子和质子在原子核中共同存在，都被称为核子。一种元素原子核中核子的总数

11、称为原子质量，或者质量数，可以用符号 来表示，而质子的质量即原子数用来表示。值相同的不同的原子称为同量异位素，拥有相同中子素的不同原子称为同中子异荷素。在自然界中中子和质子存在的不同组合，可以通过分析三种氢原子（氕，氘，氚）的原子核组成结构来说明。虽然氢元素有一个只由一个质子组成的原子核，但有一个质子和一个中子的结合作为一个粒子存在，这个粒子也就是原子核，被称为重氢，或者氘。延伸这个概念，两个质子和两个中子形成一个稳定的粒子，即粒子，在自然界中存在于氦原子核中。从放射物质从发射出来的射线就主要包括这样的粒子。另外，氢的第三种原子氚，拥有一个由一个质子和两个中子组成的原子核。这三种氢元素是具有相

12、同质子（也就是说，具有相同的原子数），但却有着不同数目中子，最终有着不同质量的原子的例子。原子的这种性质被称为“同位素”。同位素一词被广泛的使用在任何原子中，尤其是具有放射性的原子。但是，现在使用中更倾向于“核素”这个词来表达中子和质子的特殊组合。因此同位素和核素具有相同的原子数。所有原子数大于83和原子质量大于209的元素都具有放射性，也就是说，它们都会自发地衰变为其他元素，并且在衰变过程中发射活跃粒子。为明确识别每个原子，引入一些符号。在阅读这个领域的文献过程中，很有必要熟悉它们。在美国，惯例时把原子数作为下标写在前面，并且把原子质量作为上标写在原子的化学符号后面（如）。由于化学符号本身就

13、能对应原子数，所以原子数经常被省略简写为。但在欧洲，习惯性的把原子质量作为商标写在化学符号之前（）。为了达成国际标准，1964年一致同意原子质量应该作为上标写在化学符号前面（）。当没有使用上标时，另外一种书面说明形式，如“钴60”，也是常用方法。那么，氦原子的一种符号写为，这里的4等于原子重量（因为是质子和中子在原子核中的集合体）。1 原子结构和放射前文中提到，波尔的模型表明了类似于行星系统的原子结构的存在。在这个系统中，原子在离散的轨道或电子层上绕原子核旋转，轨道的直径由整数值的量子数决定。对应渐增的量子数，这些轨道分别用K，L，M和N来表示，这个命名规则今天仍然在使用。这套模型在1925年

14、由沃尔夫冈泡利根据量子力学原理修正。泡利在原子结构上的研究解释了多种观测到的现象，包括预测原子内部不同轨道上的电子的结合能。泡利进一步观测到原子可以用四个量子数来阐述：（1）是主要量子数，它是整数而且是标量；（2）是是角动量量子数，为整数，取值从0到1；（3）是磁量子数，为整数值，取值从1到 +1；（4）是自旋磁量子数，取值为1/2或-1/2。根据泡利不相容原理，一个原子中没有两个电子能拥有一套相同的量子参数。在电中性原子中，轨道电子的数目正好与原子核所带的正电数相同。原子的化学性质是由轨道电子确定的，因为他们是形成分子键，轻光谱，荧光和磷光现象的主要原因。另一方面，内层电子被牢固地束缚在在轨

15、道上，只有在相当大的能量如辐射互动作用下才能使它脱离轨道。激发轨道电子所需的能量等于该层轨道的结合能，最内层轨道的这个能量最大。使得电子从轨道上跃迁到外层轨道上所需的能量等于两层轨道结合能的差值。这种能量需求反映了元素的一个基本特征。在电子从外层轨道跃迁到内层轨道的情况下，这种特征能量以光子的形式释放出来，这种能量就是我们所知的特征X线。但是，如果能量传递给另外一个轨道电子（称为俄歇电子）而不以光子形式散发，它就会从轨道上被激发出去。在这种跃迁下，特征X线的产能被称为荧光产量。 质子和中子（即核子）存在短程核力，这个力的作用距离比质子间的相斥电磁力作用距离要远一些。核子的运动通常用壳层模型来描

16、述，这与轨道电子类似。但是，核子的运动模型是有限的，并且由一组核量子数确定。最稳定的状态称为基态。其他两种常见的状态是：（1）亚稳态此状态下原子核不稳定但在转化为另外一种状态前有相当长的寿命；（2）激发态此状态下原子核非常不稳定，以至于它在转化为另外一种状态前只能短暂存在。因此，一个原子核有两种能量级的独立存在，即异构体（两者有相同的和）。通过吸收或者释放能量（光子或微粒），不稳定的原子核最终会转化为一个更稳定的状态。这个过程就是我们所知的放射转变或衰变。正如前文中提到，这个现象一般发生在Z大于83重元素中，它们都是不稳定的。估计核结合能对测定核素的相对稳定性是很重要的，结合能也就是克服核力分

17、离核子所必需的最小能量。可以通过质能方程（）来估计，、分别表示能量、质量和光速。这样，质量转化的能量就可以用电子伏来描述了。研究中发现原子的质量通常比单个组成部分（中子，质子和电子）的质量之和要小一些。明显缺失的这部分质量（），通常被称为质量亏损，跟原子核结合能有关系，与能量的变化相符合（）（）（）之间。因此，一个原子质量单位（1）。证明1释放的能量为931。解：质能转换用爱因斯坦方程表示为 这里 是以克为单位的质量，是以 厘米/秒 为单位的速度。然后，一个原子质量单位的等价能量（）如下：）（310）单位在物理上使用很频繁，可以用 （尔格）来表示，因此另外一个方便的能量单位就是电子伏特。电子伏

18、特是这样定义的：当一个电子在一个电位差的电场中加速所获得的动能就是一伏特。既然一个电位差给一个电子带来的能量为 ，而一个电子的电量为库伦，计算一电子伏的能量是可行的，如下：11或1电子伏是非常小的能量，通常使用千伏（）或者兆伏（）。11，000，0001 1000现在可以用来表示原子质量了。1，且 1 ，1931因此，如果1完全转化，能得到931的能量。可以这样描述电子伏特的量度，一百万个电子伏（）只能把一毫克的重量的物体抬高百万分之一厘米。被称为放射性核素的不稳定核素，通过电离辐射，最终在确定的预期寿命之后达到稳定状态。一般来讲，放射性核素分为两类：自然放射和人工放射。自然状态的放射元素自发

19、地辐射，不需要来自外部的任何附加能量。人工放射性核素是人造的，通过高能例子轰击稳态核素产生。两类放射性核素在射线扫描核核医学中都有着重要作用。放射性核素的基本特征包括：平均寿命或者半衰期，转化方式或者衰变，发射特性（电离辐射的类型和能量）。所有的辐射材料，不论是自然存在或是人为制造，都有着相同的衰变过程（也就是说，他们都发出，以及可能有的辐射）。在前面讨论中，和粒子跟元素的分解有关，这个元素被称为母核，转变后被称为子核。核素从不稳定态到稳态转变过程的方式或模式可以分为六个不同种类：（1）衰变/发射，（2）-（负电子）衰变，（3）+（正电子）衰变，（4）电子捕获（EC），（5）同核异能跃迁，（6

20、）裂变。衰变粒子是高速运动的电离氦原子（）。如果一个原子核发射出粒子，它会失去两个质子劾两个种子，原子数减少2，质量数减少4。许多自然状态下的重元素都有这种衰变现象。例如，母核发出一个粒子后变为子核（钍）。用符号表示这个过程如下：> + 在这个反应式中我们可以需要到：（1）左边的原子数（质子数）等于右边（9290+2），因为电荷守恒，（2）左边质量数（质子加中子）等于右边（238234+4）。在一种元素变为另外一种时，如衰变，这个过程可以被称为嬗变。对于产生发射而言，母核的质量必须大于子核与粒子之和。在衰变过程中，多余的质量转换为能量，并以子核与粒子的动能形式出现。大多数动能由粒子获得，

21、因为它的质量比子核小得多。也就是说，由于衰变过程中的动量守恒，较轻的粒子以较高的速度反弹。一般而言，在核衰变中轻的粒子会获得大多数能量。镭，通过发射衰变后，子核将变成什么？解：衰变过程可以用符号写为> + 在这里是未知的子核。通过箭头两端的质量数和原子数的平衡计算，我们可以得到，子核的质量数为222，原子数为86：> + 查元素周期表可以得知原子数为86的元素为氡，。在例15.2中，我们证实了通过衰变变为。计算衰变过程中释放的能量。，。解：衰变后，子核的质量加上粒子的质量为用表示母核质量，那么衰变过程质量损失为（+）使用关系式1931，可以得到释放的能量为）/（931/）负电子（-

22、）或（）衰变一个放射性原子核在衰变时，子核得到跟母核相同的核子数，但是原子数减少1。典型的衰变如下> +碳原子的上标和下标与氮原子符合惯例，需要说明一下的是电子的上下标。1表示电子带一个单位电荷，数量与质子相同但电性相反。电子质量用0来表示，因为电子的质量相对于碳原子和氮原子来说几乎为零。电子从原子核中从射发出来令人吃惊，因为我们认为原子核只由质子和种子组成。这个矛盾可以这样来解释：发射的电子是在中子变为质子的过程中，在原子核内创造出来的。可以用下面的等式来表示：> + 计算率变为过程中释放的能量。解：，。这里始末状态的质量差为相当于释放能量）/（931/）只有小部分电子获得这个动

23、能。大多数发射的电子的动能比预测值少，如果子核和电子没有获得这部分释放得能量，由于能量守恒，我们不得不问，“这些缺失的能量到哪里去了呢？”1930年，泡利提出必定有第三种例子的存在，这种粒子获得了“丢失的能量”，并且符合动量守恒。恩里科费米后来把这种粒子命名为中微子，因为它是电中性的并且质量微小或者没有。多年以来中微子（）都没有被检测到，直到1950年才最终检测到它的存在。中微子具有以下特点：1 它不带电2 它的静止质量比电子小3 它与物质发生的作用很微弱因此很难被检测到磷32是典型的纯发射器（转变为），通常用于疾病治疗。经过放射衰变后的原子核通常处于一种能量激发态。原子核可以通过发射一个或更

24、多的质子，进行第二次衰变，达到更低的能量状态。这个过程与原子发射光的过程相似。当电子从一种较高的能量状态“跳跃”到另外一种较低状态时，原子发出辐射释放额外的能量。同样地，原子核主要用这种方法来释放任何额外能量，这些能量可能通过衰变或者其他核反应获得。在核灭磁过程中，释放能量的“跳跃”是由原子核中的质子或中子从较高能量级运动到较低能量级产生的。在这种灭磁过程中发射的光子被称为射线，它具有比可见光更高的能量。大多数放射性核在-衰变中都几乎同事发出射线，例如碘131。下面的时间发生顺序显示了衰变发生的主要情况：> + > + 第一个过程说明了转化为的衰变，这里的星号（*）用来说明碳原子核

25、处于激发态。激发态的碳原子会通过发射射线衰变到基态。需要注意的是射线没有导致或的变化。正电子（+）或（+，）衰变引入中微子后，衰变过程的正确形式应该写为> + + -的短横线表示这是一个反中微子。要解释反中微子的概念，先来看看这个衰变过程：> + + 当衰变为时，产生了一个与电子不同的粒子，它带有一个单位正电荷。这种粒子被称为正电子。它除了带正电荷外，在其他所有方面都跟电子相似，因此正电子被认为是电子的反粒子。值得注意的是正电子（+）是在原子核中产生的，正如质子被转换成中子和正电子。正电子衰变结果产生一个新的元素，和（原子数和质量数）都增加1。例如，碳11衰变为最稳定的同量异位素硼

26、（变为）。正电子的能量被正电子和中微子均分。正电子衰变与射线发射也有关系。正电子一旦发射出就的最小转换能量。衰变为激发态的能量的射线。发射的粒子的最大能量是多少？解：+放射衰变过程如下：> + + > + 由能量守恒可知，一个原子核要衰变为一个轻一点的核并发射一个或者更多个粒子（都用来表示）的话，的质量必须比与的质量之和还要打。超出的质能就是衰变所需的能量，用来表示。这个过程为要计算，我们首先要知道生成的原子核在激发态时的质量。，因此激发态时的质量为+-2×/电子捕获或捕获通常来自于内层（层）的轨道电子可能会被原子核捕获（如质子捕获一个电子后转变为中子）。电子的捕获过程会

27、产生一个不同的元素，它的原子数减1而质量数不变（跟+衰变相似）。事实上，一些放射性核有一定的概率既会发生正电子衰变又会发生电子捕获（如铁52，42的部分会发生衰变，58的部分发生+放射）。进一步来说，在电子捕获过程中还会伴随放射。例如，（铬51）转变为（钒51）时，90会直接达到基态。剩余的10成为激发态的，随后又通过发射光子达到基态。电子捕获还会导致内层电子位的空缺，这会引发特征射线发射或者俄歇电子。缺失高能电子会导致组织的低辐射吸收。同质异构跃迁和内部变换亚稳态的放射核仅发射射线。元素的质量数不变（同质异构跃迁）。同质异构体的质量数用来表示。例如，（锝99m）衰变为。有一定的概率可能性能量

28、会传递给内层轨道电子，而不是以光子形式释放出来。这就是内部转换。内部转换的电子靠近单能粒子。例如，钡135m发射84的内部转换电子。他们也造成内层电子的空缺，最后引发特征射线发射和俄歇电子。核裂变通常情况下，重核会分裂成为两个核子（差不多相同的两部分）。这是可以自发进行的，但在捕获中子时更有可能发生。铀裂变产物大多数的原子数在42到56之间。用于医学的许多放射核都是裂变产物，如氙-133，它可以通过合适的核医学过程提取到。 放射性衰变原子核瓦解导致的原子数量的减少就是放射性衰变，这是所有放射材料的基本特征。它不受温度、压力变化或是化合作用的影响，并且，在相同的时间间隔内，衰变过程中元素的分解率

29、时保持不变的。另外，衰变过程是随机事件。所以，放射性元素的每个原子都有相同的分解可能性。衰变过程持续下去，很明显能够分解的原子会越来越少。每个单位时间内衰变后剩下的原子的数量分数称为裂变系数（）。显然半衰期和裂变系数是相关的，这是由于裂变系数越大，衰变过程就越快，半衰期就会更短。任何情况下，裂变系数在整个衰变过程中都是不变的。每一种放射性元素都有不同的裂变过程，这是由于内在特性即裂变系数和半衰期。所有核素衰变方式都相同，但却有着不同的衰变率，因素不能由每个放射元素的独特性质决定。考虑时间时具有放射性的原子数量为，转变率可以由（用微分来表示衰变较少量）定义，它与原子数量成正比，即这里的是常量。把

30、最初原子数量表示为（当时），可以得到等式这里是时刻的放射性原子数量，是是自然对数底数（图15.2）。放射性活度单位是居里（Ci），定义如下1每秒衰变的数量来源于原来的放射性活度单位，这是1g镭大约的放射性活度。国际制单位为贝克（Bq）：11 所以1。最普遍使用的放射性活度单位是毫居里（）和微居里（）。讨论放射物质时使用最多的词语时半衰期，。因为所有的放射物质都有相同的衰变模式。在一定的时间间隔后，衰变剩下原有样品原子核的一半；再过相同的时间，得到剩下的原子核的一半，依此类推。半衰期是放射性核素衰变一半所需的时间。因此半衰期（）可以通过解下面等式中的得到且推导的计算式解：已知。经过一段等于半衰期

31、的时间，放射性核素余量为。因此两边同时除以得两边同时取自然对数得由 -0.693，我们有-0.693我们假定放射性核素在t=0的时刻数量为。半衰期后数量为。第二个半衰期后，剩下的数量再减少一半。因此，两个半衰期后，余量为。半衰期的时间长度从到年不等。放射性核素×年。如果一份样品包含3×个这种原子核，求样品的放射性活度。解：首先计算衰变常数，因为×××××s因此，是t=0时刻的放射性活度即衰变率，是放射性核素在t=0时刻的数量。由于3×，我们有由于1，放射性活度即衰变率为放射扫描和核医学的前提，是要有能够用在人体对象

32、的放射性核素，这些放射性核素通过适宜的化学形式作用于人体。对核素的选择取决于它的物理特性，这些特性与诊断和治疗应用有关，而且需要结合到相宜的化学物质上并适合生物医学研究。放射性药物包含载入了核素的特种化学物质，可能是简单的无机盐也可能是复杂的有机分子。公认的是元素的化学性质能够反映一些可能的生物习性，并且在元素周期表中同一组元素性质相似。例如，锶85用来代替骨骼中的钙元素。表15.2总结了一些现在在核医学中用到的重要放射性核素。 辐射的测量：单位现在我们知道，所有的放射性物质都会衰变，而且在这个过程中会发射出各种不同的辐射（，以及可能存在的射线）。但由于它们通常出现在不同的化合物中，很难单独测

33、量每一种辐射。后来，辐射的测量就通过以下的技术手段来实现：（1）计算放射性材料中每秒的衰变量，（2）记录生成占有一个正或负的净电荷的原子的辐射效果，（3）测量摄入辐射的物质所吸收的能量。通过这些基本步骤，得到三种辐射单位：局里（Ci），伦琴(R)，以及辐射摄入量（rad）。应该注意的是居里定义了每个单位时间的衰变量而不论辐射的类型，这些辐射可能是、或者射线。居里只针对辐射源。伦琴和拉德（rad），是关于辐射效率和辐射对象的单位。因此，居里定义辐射源，而伦琴和拉德定义辐射源对于物体的效果。X线和辐射的主要作用之一是使得原子电离，也就是说，使得原子携带一个净单位的正电荷或负电荷（离子对）。伦琴是通

34、过测定离子对总数得到的，这些离子对是在标准条件下（760毫米汞和0摄氏度）的1立方厘米的空气中， X线或伽马射线辐射所产生的。由于每个离子对带有一个单位电荷，这样就可以跟可以通过仪器检测的电效应联系起来。因此，一伦琴是这样定义的：产生的次级电子在空气形成总电荷量为1静电单位×库伦）的正离子或负离子所需要的X线或伽马射线辐射总量因此伦琴是辐射量，而不是辐射强度。而拉德（rad）是基于被照射物质所吸收的总能量。一拉德意味着每千克材料吸收0.01焦耳的能量。既然在核医学中人体组织暴露在多种放射性物质下，可以使用另外一种计量单位雷姆，来衡量辐射的生物效应。因此，雷姆是生物制剂暴露在一种或多种

35、电离辐射下的人体生理剂量单位。这些辐射单位在核医学的不同情况下使用。伦琴，或者更常用的毫伦琴，用来表示测量仪的读数值单位。拉德使用来描述接受辐射量的单位，例如，通过对木匾器官注入一种放射性药物。雷姆是用来表示人工检测设备的辐射照射值，如胶片剂量计。但是，通过医用体内辐射剂量(MIRD)委员会的努力，这些经典的放射量测定方法已经被现代的辐射剂量计算方法取代了。国际认可的组织辐射剂量单位是戈瑞（Gy），1 Gy 相当于每千克组织吸收1焦耳的能量。以前的辐射吸收剂量被表述为辐射吸收剂量（拉德）戈瑞每百万贝克，1毫戈瑞每百万贝克等于3.7拉德毫居里。大部分关于辐射剂量的计算可用于核医学过程，但是得用拉

36、德来表示。对活生物体的辐射照射尤其是哺乳动物达到一定高度的辐射级别就会导致病变甚至死亡。这一特性在恶性疾病的治疗中得到利用，通过释放一个高剂量的局部辐射来破坏不良组织。暴露于较低水平的辐射之下可能不会任何明显的效果，但长期作用的话它会增加患癌症的风险。如果性腺也处于辐射照射下，还会增加遗传缺陷的概率。因此，需要最大限度的减少对工人的辐射照射，并且明确医学应用的指导方针。美国核管制委员会（核管理委员会）采纳了限额辐射照射的标准。这个标准下，普通人群每年的辐射照射不得超过希韦特（Sv），从事核职业人员三个月的全身照射量不得超过1.25 Sv并且三个月内的四肢照射量不得超过18.75 Sv。这样下来

37、，最重要的辐射安全程序之一是同时监测人员和工作区。例行人员监测的一般是使用胶片剂量计和指环式剂量计。当有物体受到污染时，辐射探查和清除测试要在特定的时间间隔下进行。通常用的屏蔽材料是铅，它的厚度取决于伽马射线的能量。此外，放射性废料贮存在合适的屏蔽区域。用来处理放射性废料的过程因废料的性质和半衰期而异。但它们都需要一个暂时的贮存设施，通过一系列规定的步骤，最后在那里被处理掉。15.3 仪器和成像设备从前面对辐射测量的讨论可以清楚地看到，辐射能量只能间接被测量到，也就是说，通过测量辐射的影响来得到。在各种间接测量技术里，我们用到的测量放射性的办法如下：摄影术：当胶片暴露到特种放射性物质如X线中时

38、它会变黑。（即相当于伽马射线，在对外产生辐射那一节将会继续讨论） 。 电离化：辐射通过一个有气体探测器的探头产生的过量气体来生成离子对。这种探测器的功能，是由以这种方式搜集的可以被计数离子对决定的。这种技术对阿尔法辐射测量是最有效的，但对伽玛辐射无效。发光法：光子的发射跟白热没有因果关系。通过使用穿透辐射来轰击某一类型的材料得到的闪光能够被探测和处理，因此这种技术是非常有用的。事实上，电离辐射产生的荧光效应是闪烁探测器（下一节讨论）的基础。这种类型的间接探测方案对观察三种辐射的存在是非常有效的。 闪烁探测器既然大多数现代核医学探测器系统都使用了基于闪烁原理的探测器，在这里就需要详细描述一下。闪

39、烁探测器，可用于所有类型的辐射，并取决于使用的特定类型的闪烁体和它的配置。虽然应用不同，但所有闪烁探测器总的技术是一致的。某些材料，如硫化锌和碘化钠，当被电离辐射影响时会发出闪光或闪烁。一般情况下，发出的光的总量与材料中粒子消耗的能量成正比。当闪烁材料被放置在一个被称为光电倍增管的电子设备的敏感表面附近时，闪烁光就转化为一系列的小型电脉冲，这些脉冲的高度与突发伽马射线的能量成正比。这些电脉冲可以通过某种方式放大和处理，例如为工作人员提供撞击闪烁探测器得到的携带关于辐射总量和特性信息。因此闪烁器可用于医学诊断来确定病人一个器官或多个器官内核素的总量和分布。展示了闪烁探测系统的基本结构。闪烁探测器

40、组成如下：（1）一个含有闪烁晶体的探测器；（2）信号处理设备，如线性放大器和单道脉冲分析器；以及（3）数据显示器，如计数器、扫描仪和示波器。当闪烁晶体检测到辐射并且光电倍增管电路发出合适的脉冲时，产生的电压脉冲非常小。为了避免来自无用信号（如噪声）的失真导致的信息严重丢失，并为处理和显示提供一个足够强大的信号，需要使用放大器将其乘以一个常数来增加幅度脉冲。这个过程叫做线性扩增。在这样一个系统中，由于冲激探测晶体感应的伽玛射线能量的变化很大，显然线性放大器接受的脉冲在高度上也有着很大的变化，如果对探头下所有辐射能量感兴趣的话，这个方法也是可以利用的。但是如果操作员只对具体放射性核素的活动感兴趣的

41、话，就需要其他处理方式了，比如说通过脉冲幅度分析器来完成。使用这个装置，操作员可以识别出所有的辐射能量而不只是感兴趣的部分。这样一来，对具体的放射性核素的活动的分析，可以通过处理与之相关联的脉冲来进行。因此，单道和多道脉冲幅度分析器在核医学实验室里是很常用的。处理过的数据必须显示出来，可以通过提供当前辐射能总量和在身体里的位置信息来进行。这些信息对测定研究中的器官状况是非常重要的。并且，将当前放射能总量作为时间函数来研究，可以使医生确定器官是否运作正常，而对辐射部位的研究可以让医生将器官或病变组织显示出来。这两种方法的研究都是很有价值的。实际上，要提出一个在非图像应用中产生的闪光事件的量度标准

42、的话，必须给这些事件计数并且提供显示信息的方法。计数器可以完成这个任务，它是核医学中最常见的一种电子装置。计数器用来记录脉冲数，这些脉冲由探测系统产生并用多种电子设备来处理。因此，计数器是一种可以接受表征能量级别（入射辐射能量）范围和并计算它们的脉冲信号电子装置。设计的计数器要让操作者可以在预置计数和预置时间（超过这个时间则计数自动积累）两者中进行选择。通过预置时间，计数装置可以记录一个预定时间内发生事件的次数，并且自动关闭，因此计数是可变的。通过预置计数，搜集了预先设定的数量之后，计数器也自动关闭。这种情况下，时间是可变的。通过注视计数器的前板，操作员可以观测到上面两种类型的数据。不过，这个

43、信息也可以提供给其他仪器进一步分析。在预置时间模式下操作计数器时，这个信息可以用多种方式表示出来。例如，（1）通过单位时间（秒，分等）的计数值来显示，使得操作者可以持续观测；（2）提供给数码打印机，以时间函数的形式做成连续表格；（3）直接发送给一台电脑，这台电脑可以保存计数值，当真正搜集到数据时（如果这一进程够慢的话），还可以对接受的数据进行各种计算，同时还以放射性衰变图形式给操作员提供视觉显示（在示波器屏幕上）。因此，一旦闪烁探测器检测到辐射并随后由计数器测量，操作员就可以得到各种形式的具有临床应用价值的信息。闪烁数据输出可以用图像设备进行处理。一般情况下，这些设备从探测器得到脉冲输出，电子

44、处理装置根据这些脉冲在放射源中的初始点来描述并将它们以空间形式表征。但由于初始点在三维平面中，这个过程中肯定会出现失真，而最常用的方法只可以在二维空间表现这个初始点。但尽管有着这个明显的缺点，这一技术仍然被证明是具有巨大的临床应用价值的。最常用的静态检测系统事闪烁照相机或伽马照相机。这些装置可以持续观测辐射场的所有部分，因此能够像照相机一样来快速生成图像。最初的这种照相机是由Hal Anger于20世纪50年代设计的，第一部Anger照相机集合了核医学、电子学和光学原理，在临床设定下进行数据处理。它的最终验收和进一步发展，对临床核医学实践和所有的医学诊断方法都有着深远影响。Anger最初引入的

45、概念成了具体生理成像技术的根据。 伽马照相机阐明了伽马照相机器基本原理。伽马照相机的探测器置于扫描器官上方。将辐射局限于器官的一个指定点，并将其送入探测器上的一个对应点，用一个准直器置于闪烁晶体底部上方。一些伽马射线如果一直按照直线路径前行，就会在物体那些与器官样点完全不相关的地方冲激探测器，但由于伽马射线不能被“弯曲”，必须想办法来选择性的阻止那些伽马射线。选择性的干预过程是由准直器完成的。为阻止不需要的离轴伽马射线冲激晶体，准直器通常有大量由重金属吸收剂制成的窄平行光阑。仔细思考图中的多孔准直器。在这里，准直器由一个平的铅板构成，铅板上打了许多很窄的孔。可以看到，只有伽马射线直接在每个孔下

46、面发射时，才会穿过准直器，并且在晶体表面的唯一位置上表征。如果伽马射线发出的地方远离准直器，比如在Y区域，这时候它会表现在晶体表面的多个部位上。此时，分辨力（可以定义为探测器辨识来自准直器的不同距离的两种探测源的能力）会大大降低。对于多孔准直器而言，当兴趣区域靠近准直器的时候有最佳分辨力。因此，将物体从Z点向探测器移动可以提高分辨力。显然，当观测皮肤下表的器官时，由于对分辨力有要求，适当的接近探头是很重要的。展示的针孔准直仪。针孔准直仪只允许那些瞄准孔缝的射线进入。这些伽马射线进入准直仪，沿着直线行进到晶体位置，在晶体上以倒置的空间顺序被探测到。当探测源与准直器的距离被置成与针孔到晶体的距离相

47、等时，探测源可以精确地以与实际存在相同的尺寸反映出来。而且，通过适当的定位，扩大和减小探测区域是实际可行的。比如说将探测源移动到离准直仪的缝孔更近的位置，就可以实现扩大操作。因此针孔准直仪可以放大和翻转被置于它下方的探测源的图像。从这个简短的讨论中可以看到，准直器与闪烁探测器的结合，基本上可以将发生在器官一个特定点上的辐射活动“聚焦”到晶体表面的一个点上。辐射穿过准直器后与闪烁晶体相撞或互相作用。一个简单的伽马照相机系统是目前存在的最重要和最基本的核医学诊断工具。与计算机接口链接使得这个系统功能更为强大。数字图像处理系统可以进行数据收集，存储和分析。数据获取需要数模转换器（ADC）实现图像的数

48、字化，数模转换器可以将矩形图像分解成小分，即像素，通常用的层次是64×64，128×128，256×256。因此，人们可以选择一个特定兴趣区域来获得某些定量信息。数字计算也提高了动态研究，这是因为可以很容易的从一系列图像中对任何区域进行区域速率提取和模式清除，这使得一些研究如心室壁运动研究成为可能。 正电子成像通过核素转换发射出来的正电子只可以在组织中行进很小一段距离（几毫米），而后湮灭，产生一对511keV的向相反方向运动的光子。用一对闪烁探测器可以通过同时测量两个光子检测到正电子发射。湮灭探测清楚的界定了两个探测器之间的圆柱曲线路径。这里没有必要确定正电子照相

49、机中多孔准直器的位置，因为电子准直器能够完成这项工作。正电子照相机是有局限性的，但高度改良的结构在正电子发射横断面体层摄影术和正电子发射断层摄影术（PET扫描）中起着巨大的作用。将大量的碘化钠（碘化钛）探测器环形排列，可以使得探测过程允许湮没同时生成的光子有180度的偏转。断层图像是由电脑辅助重建技术得到的。回旋加速器生成的短寿命放射性物质（主要是碳11 ，氮13 ，及氟18 ）可以提供人体结构和代谢信息，几个大型中心都将这个技术与正电子发射断层扫描相结合起来使用。15.4 射线成像系统本节将讨论穿过人体并由病人后面的辐射敏感器件探测到的外部生成的辐射。这种射线成像系统依赖有衰减特性的X光来生

50、成图像。最初的系统需要相当数额的辐射来产生组织的具有较好对比度（即分辨身体的微小密度差异的能力，如脂肪和肌肉之间）的清晰图像。高对比度表现出的差异，如软组织和空气（肺部）之间或者骨头和肌肉之间，可以使用较小剂量的辐射来区分。不过，随着更好的胶片和其他类型探测器的研发，高、低对比分辨力使用的辐射剂量都减少了。更有意义的，是20世纪七十年代计算机轴向断层扫描技术（CAT）的发展。这种仪器可以生成病人的横断面图像，而不是常规的X线系统记录的阴影图像。理论上，这可以为临床医师提供身体任何部位、任何截面的高对比度断层图像。为更好的理解这种成像方式的意义，我们先回顾一下常规X线成像系统基本概念。 基本概念

51、所有的X线成像系统都是由一个X线源、一个准直器合一个X线探测器构成的。X线医学诊断系统使用外部生成的X线，能量为20150keV。自二十世纪初，常规的X线图像都是使用广谱X光束和摄影胶卷的方法得到的。一般来说，X线是由阴极射线管产生的，当有高压电源时阴极射线管激发生成X光束。光束由准直器整形后穿透病人，在图像表面生成潜影。依靠X线成像系统，图像由X光片、图像增强器或者一套X线探测器检测到。使用标准屏片技术，X线穿过人体，在一张胶片上投射出骨骼、器官、空腔和身体外围的影像（见图15.6ac）。阴影图以这种方式包含了传输的X光束在穿过不同密度的组织和体液后的强度变化结果信息。这一技术的好处就是在较

52、少的曝光下，能够提供高分辨力、高对比度的永记录的图像。但是，它也有缺点如明显的几何市镇，无法辨别深度信息，无法提供实时图像。所以，常规放射成像一般只用于牙齿、胸部和骨骼的成像。由于骨骼吸收X线能力很强，很容易由标准放射成像技术识别骨折。操作过程中将三维物体投射到二维平面上，也会遇到一些麻烦。在胶片上显示的结构组织是重叠的，并且很难分辨各种密度相似组织。因此，常规X线技术无法获得可识别的主要由软组织构成的脑图像。为了努力克服这一缺陷，人们开始尝试从多个器官出现的不同的角度来获得阴影图（ 在这些角度下，器官的相互位置关系是不一样的），同时引入半透明或不透明的介质（如空气或碘溶液）到X线传输通道中。

53、但是，这些努力往往很费时，很困难，有危险性，而且还不够精确。早在20世纪二十年代，就研制出另一种X线技术来实现三维结构可视化。通过这种被称为平面体层成像的技术，可以实现人体特定平面或截面的成像。在平面体层成像技术中，X线源向一个方向偏移的时候，成像胶片（放在人体的另一侧来接收X线）自动朝相反方向移动（图15.6b）。这样的结果是，X线持续改变通过人体的路径的同时，在整个曝光过程中，每条射线都穿过同一个平面即同一个兴趣断层。因此，可以将目标平面的结构得到聚焦，并在胶片上显示出来，而在其他平面上的结构都被模糊掉并以污点形式显示。在展现不同组织的位置和细节时，以及使用二维表达来提供三维信息时，这种方

54、法显然优于常规方法。然而它也有局限性：首先，由于获取的深度信息有些错误，不能真正地局部化到一个单一平面；其次，放射密度需要有很大的反差，才能获取到容易理解的高质量图像；另外，用于体层成像的X线剂量要比常规X线成像所用的要多一些，并且，由于曝光时间更长，病人的动作可能会降低图像品质。 计算机断层扫描（CT）是一种完全不同方法。它主要由扫描和探测系统，一台计算机，一个显示器构成。我们把计算机重建技术结合到X线吸收测量技术中，用这种方法，通过二维坐标切片或在三维尺度上对Z轴进行重建，可以方便地展示任何内部器官。这种技术的第一步与常规射线成像技术是很相似的。一列X线准直光束直接通过正在被探测器扫描的人

55、体断层，探测器置于病人的另一边（图）。有了一个狭窄的准直光源和探测系统，发送一束很窄的X线到具体的探测点是可行的。X线的一部分能量被吸收掉，剩下的部分则继续前行到探测器后被测量。在计算机断层扫描中，探测系统通常包括一种晶体（如碘化铯或钨酸镉），当被X线轰击时这种晶体能够闪耀或发射光子。光子的密度或“能量束”依次被光子探测器测量到，同时还提供了一种方法来测量X线束穿透过程中被介质吸收（或透射）的能量由于X线源和探测系统通常安装在一个装置（扫描仪架）里，两者可以一起在可视化目标周围移动。在早期的设计中，举例来说，每一个由射线源和探测系统经过的旋转角度，都进行了X线吸收测量和记录。其结果是生成一个该

56、角度的的吸收曲线。为获得另一个吸收曲线，带有X线源和探测器的扫描仪架旋转一个很小的角度，这样另外一组吸收或透射测量结果就被记录下来。每一个通过这种方式得到的X线曲线或投影都是一维的。它们跟人体宽度相同但却只有穿越断层那么厚。采集周向均匀位置投影的确切数量，决定了组成显示信息的图片元素的表达尺寸。例如，生成一个160×160的图像矩阵，需要对160个周向均匀的每一个平移位置进行吸收测量。每个一维数组构成一条X线曲线或投影。为获取下一条曲线，扫描单元围绕病人旋转一定的角度，从当前的新位置得到160多个线性读数。这个过程一再重复直到扫描单元总共旋转180度。当收集到所有的投影后， 160&

57、#215;180即28800个独立的X线密度测量结果就可以对病人的头部或身体进行断层重建。在这点上，电脑的优势是很明显的。前面描述的步骤中获得的每一个测量结果都能保存在电脑上。当获得所有的吸收数据并将其置于电脑的存储器中后，基于图像重建算法开发的分析数据的软件包就开始运行。图像重建技术是基于已知的用于天文学的数学构造方法建立起来的，在计算机发展起来之前使用很少，因为需要重建的计算量很大。现代计算机技术使得人们可以充分利用这些重建技术。要从储存的X线吸收值数据中生成一副图像，计算机最初为感兴趣的截面建立一个包含大量小方块的网格，总的网格尺寸由需要的显示尺寸决定。这个过程生成的网格就像网球拍上的由

58、绳子交互而成的格子那样的东西。由于人体的截面有一定的厚度，每个小方块就代表一定体积的组织，矩形固体的长度由切片厚度决定，宽度由矩阵尺寸决定。这样的一个三维体积块被称作体素（体积元）并且在二维上以像素（图像元）形式显示出来（图15.7）。在扫描过程中，每个体素都用一束窄的X线照射180次。这样，该体素的吸收量就得到180次不同投影方向的测量。由于每个体素都会有一组唯一的吸收量，电脑会按体素计算所有的吸收量。用总的吸收量和体素的尺寸，可以精确的测定组织的平均吸收系数，并以灰度像素形式显示出来。例说明X线在多种射线穿透病人身体截面时是怎样衰减的。解：可以认为兴趣截面是由一组小方块组成的。每个小方块会吸收穿过它的X线或光子的一部分